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Physique-Chimie 1re

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Exercices




Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Décrire et expliquer la propagation d’une perturbation mécanique :
11
30

Exploiter la relation entre durée de propagation, distance parcourue et célérité :
14
DIFF

Exploiter la relation entre longueur d’onde, période et célérité :
18
24

Distinguer et exploiter les représentations spatiale et temporelle d’une onde mécanique périodique :
18
30

Représenter et simuler un signal périodique et sa propagation :
32

Pour s'échauffer

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8
Retard

Une onde se déplace à la célérité v=4,5v = 4\text{,}5 m·s-1 dans un milieu.

Calculer avec quel retard elle arrivera à 240240 cm de sa source.


9
Période et fréquence

Une onde sinusoïdale a pour longueur d’onde λ=3,0\lambda = 3\text{,}0 mm. Sa célérité est v=2,5×106v = 2\text{,}5\times 10^{-6} m·s‑1.

Calculer sa période puis sa fréquence.


10
Longueur d’onde

Une onde sonore sinusoïdale a pour fréquence f=980f=980 Hz. Sa célérité est v=340v = 340 m·s-1.

Calculer sa longueur d’onde.


Supplément numérique
B
Célérité

Calculer la célérité d’une onde mécanique de longueur d’onde λ=8,0\lambda = 8{,}0 cm et de fréquence f=25f = 25 kHz.
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5
Exemples d’ondes

Parmi les exemples suivants, identifier l’intrus et justifier : les ultrasons - les vagues - la lumière - les spires d’un ressort tendu puis relâché.


6
Propagation d’une perturbation

Une ola réalisée dans un stade peut être considérée comme une onde.

Une ola dans un stade

Indiquer quelle est la perturbation et comment elle se propage.


Supplément numérique
A
Célérité

Donner l’expression de la célérité d’une onde qui parcourt la distance d=140d = 140 m pendant la durée Δt=3,2\Delta t = 3{,}2 s et calculer sa valeur.


7
Distance

Calculer la distance parcourue en 3434 min par une onde si sa célérité est v=2,7v= 2\text{,}7 m·s-1.

Célérité et retard

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14
Calcul de retard

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

Au Far West, un train démarre d’une gare située à d=6,5d = 6\text{,}5 km de l’endroit où un indien pose son oreille sur le rail en acier.

1. Calculer le retard de l’onde sonore dans le rail, entre son émission et sa réception par l’oreille.


2. Calculer le retard de l’onde sonore dans l’air pour la même distance parcourue.


Données

  • Célérité du son dans l’acier du rail : vacier=5600v_{\text {acier}}=5\,600 m·s-1.
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16
Évacuation du littoral

VAL : Respecter les chiffres significatifs

Un tsunami est une série de vagues produites à la suite d’un séisme en pleine mer. L’énergie transportée par ces vagues met en danger les habitants et les constructions du littoral. Bien que la célérité de ces vagues décroît lorsqu’elles se rapprochent du rivage, en raison de la profondeur qui diminue (voir exercice corrigé, p. 333), on estime sa célérité moyenne à 240240 km·h-1.

Combien de temps ont les habitants du rivage pour évacuer en prévention d’un tsunami, si celui-ci prend naissance à d=38d = 38 km au large ? Exprimer le résultat en heures puis en minutes.
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15
Célérité de l’onde dans un câble

VAL : Respecter les chiffres significatifs

Un câble de tyrolienne est tendu entre deux arbres d’un parcours d’accrobranche. On appuie brièvement sur le câble à l’une de ses extrémités. On observe alors une onde sous la forme d’une petite bosse qui se propage jusqu’à l’autre extrémité.

1. Pourquoi peut-on dire que l’on a créé une perturbation ?


2. Le câble mesure L=19,8L = 19\text{,}8 m. L’onde la parcourt en 2,32\text{,}3 s selon la moyenne obtenue par tous ceux qui ont chronométré. Calculer sa célérité.


3. Combien de temps mettrait cette onde à parcourir une corde tendue dans des conditions identiques mais de longueur L=47L^{\prime}=47 m ?

Pour commencer

Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Exploiter la relation entre durée de propagation, distance parcourue et célérité
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22
Le détecteur d’obstacle

APP : Extraire l’information utile sur supports variés

Détecteur d'obstacle

Pour détecter les obstacles, un petit robot Lego utilise des ultrasons. Il émet des salves d’ondes ultrasonores et reçoit un écho si un obstacle se présente. Il est programmé pour faire demi-tour s’il arrive à moins de 5,05\text{,}0 cm d’un obstacle. Son récepteur se trouve juste à côté de l’émetteur.
On a équipé le robot du système Bluetooth qui permet d’envoyer en temps réel les signaux émis et reçus. Sur un écran, on obtient les signaux ci-dessous.

À quelle distance de l’obstacle se trouve-t-il ?


Détecteur d'obstacle

Donnée

  • Voie A et voie B : sensibilité horizontale 0,20\text{,}2 ms/div.

20
Le radar de recul

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APP : Extraire l’information utile sur supports variés

En marche arrière, le radar de recul d’une voiture se met en marche automatiquement. Le capteur est situé sous le pare-chocs arrière du véhicule. Il a une portée minimale dmin=0,30d_{\min}=0\text{,}30 m d’après le constructeur : un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à dmind_{\min} ne peut pas être détecté.
Il est constitué d’un matériau piézo-électrique utilisé à la fois en émetteur ou en récepteur. Il ne peut fonctionner en récepteur que lorsqu’il a fini de fonctionner en émetteur. C’est la raison pour laquelle l’appareil génère des salves ultrasonores de durée Δt1=1,7\Delta t_{1}=1\text{,}7 ms avec une périodicité T=12T = 12 ms. L’onde ultrasonore émise est réfléchie par l’obstacle éventuel, provoquant un écho.

D’après sujet Bac, 2015.

Onde ultrasonore du radar de recul


1. Faire un schéma montrant le capteur, un obstacle et le trajet de l’onde ultrasonore.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. Donner la relation entre la distance à l’obstacle dd, la célérité des ultrasons vsonv_{\text{son}} et la durée entre l’émission et la réception du signal Δt.\Delta t.


3. Vérifier que pour d=dmind=d_{\min}, Δt=Δt1.\Delta t=\Delta t_{1}.


4. Pourquoi en dessous de dmind_{\min}, la position de l’obstacle ne peut-elle pas être détectée correctement ?


5. Que faudrait-il modifier pour que cette distance minimale soit plus petite ?


Donnée

  • Célérité du son dans l’air à 20 °C : vair=340v_{\text {air}}=340 m·s-1.
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21
Le sonar

VAL : Chiffres significatifs

Le sonar d’un sous-marin émet des ultrasons pour estimer, entre autres, la profondeur du fond marin. Il est aussi équipé d’un récepteur.

Sous-marin

1. L’émetteur envoie des ultrasons vers le bas. Que se passe-t-il pour l’onde ultrasonore quand elle rencontre le fond ?


2. Schématiser le trajet de l’onde dans ce cas. On notera hh la distance entre le sonar et le fond.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


3. Il s’écoule la durée Δt=0,83\Delta t=0\text{,}83 s avant que le récepteur reçoive l’écho après l’émission. En déduire hh.


Donnée

  • Célérité des ultrasons dans l’eau de mer : veau=1500v_{\text {eau}}=1\,500 m·s-1.

Les ondes mécaniques

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13
Isolation phonique

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

1. Expliquer, en utilisant la notion d’énergie, pourquoi un bouchon en mousse placé dans l’oreille empêche les ondes sonores d’atteindre le tympan.


2. De la même façon, après en avoir recherché la définition expliquer le rôle des brise-lames à l’entrée des ports.
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11
Onde et transport d’énergie

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

Une onde sonore, une onde mécanique à la surface de l’eau ou une onde sismique transportent de l’énergie.

Illustrer, par un exemple dans chaque cas, qu’un objet sur le trajet de l’onde reçoit une partie de cette énergie.
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12
Détecteurs d’ondes sonores

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

La détection des ondes est facilitée par le fait qu’elles transportent de l’énergie.

Citer trois appareils, vus en classe de seconde, qui permettent de détecter (et éventuellement d'en convertir l’énergie) une onde sonore.


Un émetteur/récepteur d’ultrasons sur un robot.
Un émetteur/récepteur d’ultrasons sur un robot.

Les ondes périodiques

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19
Ultrasons

APP : Extraire l’information utile sur supports variés

Un capteur d’ultrasons est branché à un oscilloscope. Il permet de transformer un signal sonore en tension électrique. L’oscillogramme obtenu est donné ci-dessous, le temps étant en abscisse. La sensibilité horizontale est de 10 μ\mus/div.

Ultrasons


1. Quelle est l’allure du signal ?


2. Que peut-on déterminer sur l’enregistrement : la valeur de la longueur d’onde ou de la période ?


3. Calculer la fréquence des ultrasons.


4. Calculer la longueur d’onde de cette onde ultrasonore.
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18
Le diapason

APP : Extraire l’information utile sur supports variés

Un diapason

Un diapason permet de générer un son quasiment sinusoïdal. L’enregistrement à l’aide d’un micro donne la courbe suivante.

Le diapason


1. Déterminer la période puis la fréquence du son émis par le diapason. À quelle note correspond sa hauteur ?


2. Calculer sa longueur d’onde dans l’air.


Données

  • Célérité du son dans l’air : vair=340v_{\text {air}}=340 m·s-1 ;

Note
Do3
Ré3
Mi3
Fa3
Sol3
La3
Si3
ff(Hz)
262
294
330
349
392
440
494
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17
Électrocardiogramme

APP : Extraire l’information utile sur supports variés

L’enregistrement sur papier d’un électrocardiogramme (ECG) donne la courbe ci-après.

Électrocardiogramme


1. À quel phénomène physiologique sont associés ces signaux ?


2. Ces signaux qui se propagent dans le corps sont-ils sonores, sismiques ou électriques ?


3. Pourquoi peut-on considérer qu’ils sont périodiques ?


4. Déterminer la période sachant qu’un grand carreau correspond à 250250 ms horizontalement.


5. En déduire la fréquence cardiaque en hertz (Hz) puis en battements par minute (bpm).


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